Bilder Festplatten. Bilder einer Demontage.

Eine Reise in eine Festplatte, Harddrive.

Eine Festplatte, auch Harddrive (HD) genannt, ist ein magnetisches Speichermedium auf dem Daten für den stationären und mobilen Gebrauch gespeichert werden. Die Daten bestehen meist aus Software-Programmen wie das Betriebssystem und gewisse Anwendungsprogrammen. Die Speichermedien werden auch gerne von Firmen als Backup-Datenträger für Sicherheitskopien benutzt. Mittlerweile wird das Speichermedium Festplatte auch als Speicherersatz für den schnellen Arbeitsspeicher, der sich auf der Hauptplatine (Motherboard) in den Computern befindet, benutzt. Die Festplatte mit der gesamten Technik wird immer weiter entwickelt und wenn man bedenkt, dass die ersten Festplatten eine Kapazität von 30 Megabyte (1973) hatten und die heutigen Harddrives 1000 Gigabyte (1 Gigabyte sind 1000 Megabyte) fassen, sind doch erhebliche Fortschritte zu verzeichnen. Die erste moderne Festplatte wurde von der Firma IBM entwickelt und im Jahre 1973 vorgestellt. Die Winchester 3340 mit 30 Megabyte Speicherkapazität wurde in dem IBM-Werk von Winchester produziert und hat damit die Zukunft der Computer festgelegt, die heute ohne Festplatten wertlos wären, auch wenn die Solid-State-Drives sehr langsam die Festplatten ablösen. Allerdings sind diese Art SSD’s der Speichertechnologie (Feste Speicherbausteine, statt mechanische Komponenten) im Gegensatz zur Festplatte noch sehr teuer, wobei man für viel Geld wenig Speicherplatz erhält. In naher Zukunft wird die Festplatte allerdings ausgedient haben.

Die Festplatte ist ein Datenspeicher, bei dem auch nach dem Ausschalten die Daten erhalten bleiben. Der Grundaufbau ist bei allen Festplatten gleich. Die Größe einer Festplatte ist bautechnisch schon vorbestimmt so gibt es 2 ½, 3 ½ und 5 ¼ Zoll Festplatten. Die 2 ½, ab und zu auch 2 Zoll Festplatten, werden in Notebooks eingesetzt, da hier auf Platz sparende Technik Wert gelegt wird. Leider spürt man das auch im Preis. Die Standard-Festplatten von 3 ½ Zoll findet man in fast allen Computern. Dabei ist die Festplatte in einem separaten Festplattenkäfig oder mit einem 5 ¼ Zoll Einbaurahmen in einem Laufwerksschacht untergebracht. Die 5 ¼ Zoll Festplatten sind heute nicht mehr anzutreffen, waren aber von 1980 bis schätzungsweise 1996 einer der ersten kleineren, bautechnisch gesehen, Festplattenmodelle. Eine Festplatte wird in einem Reinheitsraum (staubfreier Raum) staubdicht zusammengebaut, da das kleinste Staubkorn die Magnetscheiben beschädigen kann. Beim Zusammenbau einer Festplatte wird spezielle Kleidung und Schuhe (ESD = Elektro Statik Discharge = elektrostatische Entladung) getragen, um Entladungen über die Mikroprozessoren zu vermeiden, die diese zerstören können.

In einem Festplattengehäuse befinden sich übereinander mit einem gewissen Abstand gelagerte Magnetscheiben. Auf diesen Scheiben, auch Pattern genannt, werden alle Daten gespeichert, dabei werden nicht nur Daten auf die Oberfläche, wie bei einer CD und DVD geschrieben, sondern auch auf die Unterseite. Die Datenträger besitzen ein sehr hohes Maß an Reinheit und sind in dem Gehäuse luft- und staubdicht verpackt. Das Material der Magnetscheiben besteht aus Aluminium. Auf der Ober- und Unterseite der einzelnen Aluminiumscheibe wird ein magnetisches Trägermaterial aufgedampft, somit wird die Scheibe zu einem Datenträger. Bei Wechselfestplatten und Disketten wird Kunststoff benutzt, dass dann magnetisch bedampft wird. Versuche mit Glas und Keramik wurden schon erfolgreich durchgeführt und auch in mobilen Geräten eingesetzt, allerdings konnte sich dieses Material nicht durchsetzen, da es noch zu teuer ist und einige technische Schwierigkeiten mit sich bringt. Bei der Bilderserie „Die Reise in eine Festplatte“ sehen Sie ein Maxtor-Quantum Harddrive-Modell mit 80 Gigabyte Speicherkapazität. Dieses Modell beherbergt zwei Pattern (Magnetscheiben, Datenträger) im Gehäuseinneren. Die Magnetscheiben sind auf einer Drehachse mit Antriebsmotor (Spule) und Kugellager befestigt. Alle Hersteller von Festplatten versuchen die Laufgeräusche und Vibrationen der Harddrives zu verringern und die Lebensdauer zu erhöhen, dabei setzt man verschiedene Techniken, wie Flüssigkeitslager, ein. Herkömmliche Kugellager mit Keramik- oder Metallkugeln sind zwar preisgünstiger, aber ihr Verschleiß ist enorm hoch, besonders bei diesen hohen Umdrehungen, die bis zu 15.000 rpm (Runden pro Minute) reichen können. Wenn die Lagerkugeln abnutzen erhöht sich das Laufgeräusch und die Drehachse frisst sich irgendwann fest, dies bedeutet Stillstand und defekt der Festplatte. Um weitere Geräusche zu verringern setzt man auf das Akustik-Management. Hierbei werden die Arme, woran sich die Schreib- und Leseköpfe befinden, von den Herstellern auf sanfte Bewegungen programmiert und optimiert.

Es gibt zwei wichtige Motoren in einer Festplatte, dabei ist einer für die Rotation der Magnetscheiben zuständig, damit die Daten gelesen und geschrieben werden und ein Motor bzw. Stellglied bewegt den Arm mit den Datenübertragungsköpfen in die korrekte und gewünschte Position. Je schneller sich die Magnetscheiben drehen können, umso schneller werden die Daten gelesen und geschrieben. Die Standardgeschwindigkeit von PC-Festplatten liegt bei 7200 Umdrehungen pro Minute, wobei Server-Festplatten (SCSI-Systeme) bis zu 15000 Umdrehungen pro Minute leisten. Bei den Notebook-Festplatten sind Geschwindigkeiten von 5400 U/min. Standard, allerdings kommen immer mehr Notebook-HD’s mit 7200 U/min. auf den Markt. Bei einer Festplatten-Rotationsgeschwindigkeit von 7200 U/min. rasen die Köpfe mit mehr als 100 km/h über die Scheiben. Würde man die Flughöhe und Drehgeschwindigkeit der Köpfe zu Pattern mit einer realen Größe vergleichen wollen, dann müsste man sich ein Passagierflugzeug vorstellen, das mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit im Abstand von 2 Metern über den Erdboden fliegt. Fliegt ist dabei untertrieben.

Im Inneren der Festplatte befindet sich ein Arm (Aktuator) der nach vorne hin wie ein Kamm aufgebaut ist. Auf der Kammspitze sitzen die winzigen Schreib- und Leseköpfe. Bei unserem geöffneten Modell sind am Ende des Zugriffkamms 4 Leseköpfe und weitere 4 Schreibköpfe, die mit einem Abstand von zirka 0,25 µm über der Magnetscheibe schweben. Da Schreib- und Lesekopf nicht an gleicher Position angeordnet sind und somit sich auf verschiedenen Spuren befinden, sorgt ein Programm (Microcode) auf der Festplattenelektronik dafür, dass die Synchronisation immer stimmt. Bei der kompakten und engen Bauweise einer Festplatte, da die Gehäusebreite vorgegeben und die Tiefe computertechnisch bedingt kurz sein muss, bemühen sich alle Hersteller ihre Festplatten langlebiger, stoßsicherer, leiser und vor allem geringer im Stromverbrauch zu entwickeln. Das größte Problem der Festplatte ist die Wärmeentwicklung, wobei die Hersteller in diesem Bereich schon gewaltige Fortschritte, bedenkt man die Festplattengrößen, gemacht haben. Trotzdem empfiehlt sich, besonders bei den steigenden Sommertemperaturen, immer ein Festplattenkühler. In Serverräumen und in Büros sollte man die Klimaanlage regelmäßig auf ihre kühlende Funktion überprüfen. Das Computersystem, besonders das Gehäuse, sollte während dem Betrieb nicht getreten oder gestoßen oder erschüttert werden, auch wenn etwas nicht richtig funktioniert oder sich plötzlich ein lautes Geräusch aus dem Computer zu hören ist (Lagerschaden eines Lüfters im Gehäuse). Bei Erschütterungen kann der Schreib- Lesekopf während des Einsatzes auf die Magnetscheibe aufsetzen, diesen Vorgang nennt man Headcrash. Es ist dann nur noch eine Frage der Zeit, wann die Festplatte komplett ihren Dienst verweigert. Mittlerweile parken alle Hersteller bei Nichtbenutzung der Festplatte (Harddisc, Harddrive) per Elektronikanweisung den Arm mit den empfindlichen Schreib- und Leseköpfen in einer sicheren Position nahe der Drehachse (Landing-Zone). Bei niedrigen Drehzahlen landen die Köpfe auf der Magnetfläche und der Arm wird blockiert, sobald die Festplatte stromlos ist. Einige Hersteller benutzen eine Parkposition des Armes mit den Köpfen außerhalb der Magnetscheiben. Bei dieser Rampen-Parkfunktion wird ein Headcrash im Ruhezustand grundsätzlich vermieden. Das Bewegen des Armes wird durch einen Linearmotor, der auch als Voice Coil bezeichnet wird, durchgeführt. Dabei wird eine Spule elektrisch angesteuert und die Armeinheit mit dem Zugrifsskamm bewegt sich dann zwischen zwei extrem starken Magneten an die gewünschte Position mittels der Drehachse.

Die Laufwerkselektronik ist das Gehirn der Festplatte. Die Platine und Steuerelektronik, meist mit einem Schutz versehen, ist auf der Unterseite des Harddrives zu finden. Die Platine ist mit einem Stecker zum Signalverstärker und Linearmotor zum Inneren der Festplatte verbunden. Weiterhin ist die Elektronik der Platine mit vier Steckkontakten zum Antriebsmotor der Magnetscheiben verbunden. Die Platine mit der Steuerelektronik gibt die Datensignale über ein Buskabel IDE, EIDE, SCSI oder S-ATA weiter. Um den Betrieb aufnehmen zu können benötigt die Platine eine Stromzufuhr. Bei den IDE und EIDE-Festplatten musste noch eine Kennung eingestellt werden. Mit der Kennung Slave oder Master, eingestellt über Jumper, wies man der Festplatte ihre Position zu. Bei den Serial-ATA Festplatten muss eine Kennung Master oder Slave nicht mehr erfolgen, allerdings gibt es einige Exemplare, die auf eine kleinere Datenübertragung gejumpert werden können, besonders empfehlenswert wenn es zu Problemen mit dem Motherboard kommt. Nicht nur die Anschlüsse unterscheiden sich komplett von einer EIDE und S-ATA Festplatte, sondern auch die Übertragungsgeschwindigkeiten.